人们站在同一个地方,提着一桶水。理论上没有做功。为什么人还会消耗能量?
移动物体时,能量转换与人体对桶做功时不同,但能量转换的结果是相似的。移动物体时需要克服一些力来做功,提水时需要把水提起来。这时人付出的能量一部分转化为水桶的重力势能,一部分转化为内能。内部能量是由于手和桶之间的摩擦。摩擦和手接触会使肌肉皮肤变形,与手柄的摩擦会转化为内能。
一般来说,糖在人体细胞中的化学能转化为桶的内能和机械能,还有一部分热能因体温调节而损失。不考虑肌肉抖动,人只在提桶期间对桶做功,提桶行走时不做功。
人站在同一个地方似乎不是在移动水桶,而是需要抓住水桶的把手提供摩擦力来抵抗水桶的重力。肌肉的运动在微观层面是复杂的,所以水桶其实是在轻微晃动。结果就是人不停的提着桶上下运动,但是幅度很小,手和提手之间总是有摩擦力,所以人还是在桶上做功。
这就是为什么人的手臂和手在长时间拿着物体后会酸痛的原因。其实肌肉是不断紧张的,无氧糖酵解产生更多的乳酸,但是手臂却无力无力。
原因在于人体肌肉的构成。肌肉是由无数的肌纤维组成的,每个肌纤维都有收缩或放松的能力。在更微妙的层面上,肌肉蛋白是多层次的结构,相当于一个袖子结构。两者会相对滑动,因为肌纤维由肌动蛋白和肌钙蛋白组成,肌钙蛋白与钙离子结合会发生变形,驱动肌纤维的微结构相对滑动,导致肌纤维变短。
蛋白质在游离钙离子时,驱动纤维滑动到原来的位置,所以提供肌肉力量的是肌肉的持续滑动,蛋白质的运动能力来自ATP,即高能磷酸盐,ATP高能键中的能量来自糖的有氧分解或无氧糖酵解。
肌肉除了产生代谢废物外,还有一定的不应期。所谓不应期,可以理解为肌肉疲劳。蛋白质结合钙离子的速率是一定的,会随着时间的推移而降低,线粒体对糖的氧化也是这样的变化,导致手臂长期用力后感觉越来越没劲。但是,这样的过程是健美所必需的。健身不是吃蛋白粉,最重要的是负重训练,就是不停的举重物,会让手臂酸酸软软的。但这种长时间的训练会使肌肉代偿性增厚,其上的感受器和钙离子的流速发生变化,从而使肌肉更加有力。
当然,在高中物理中,我们不需要考虑肌肉抖动的现象,只需要考虑理想情况,就是提着桶站在同一个地方或者提着桶走在平地上,没有人对桶做过功。